一种光电二极管IV转换模块设计与实现

杨梅 刘学军 张纬蓉 彭云聪

摘要：文章旨在设计并实现一种mA级的光输入电流转换为0～5V电流/电压（IV）转换电路，并将误差控制在5%以内。设计采用电路驱动光电管完成电流到电压信号的转换，采用前置放大电路、差分放大电路和滤波电路的设计完成电压信号的放大、滤波处理。经实验测量不同频率下，输出信号各项参数符合要求，在工程实践中可以作为一种性能良好的IV转换电路加以应用。

关键词：电流转电压;光电管;滤波

本文设计一种基于光电二极管的电流电压转换及电压放大的电路。首先完成光信号转换为电信号，其次考虑到电信号电流较为微弱，采用设计合理放大电路，实现4～20mA的输入电流信号转化为0～5V的输出电压信号的电流/电压（I/V）转换电路。

一、系统总体设计与分析

（一）总体设计思路

根据电路系统性能指标要求，选用LF353和OPA277放大器设计实现一个mA级电流转换成0-5V的输出直流电压的转换器电路，同时保证5%以内的误差要求。

（二）I/V转换原理

系统电路设计如图所示，图1中为了避免产生误差给电阻R2和R3并联一个47pF级的电容C3。

OPA277是双电源工作，管脚7和4为正负电源，每个引脚需要两个0.1uF电容器（C2，C5）进行高频滤波，以避免干扰等因素。所述的两个旁路电容C4和C6，C4是减小带宽，C6是减少电路中的1/f噪声，如图2所示。

（三）差分放大电路

差分放大电路，能够抑制共模信号，原理图采用T型网络结构。由于信息反馈电阻可以扩展（1+R3/R2）倍，即可减少热噪音问题和运放输入偏执电流的影响。电路设计采用OPA277放大器，转换关系不受负载影响，但芯片限值影响输入电压。R2、R3形成闭合回路，当光通过二极管照进端子时，提取背景噪声环境里产生的前置放大器的小信号。将输入电流转化为电压输出，根据运放的虚短路，虚断路，输入电流，流经滑动变阻器R4并形成输出信号Vout。根据图3所示，将电压通过LF353放大器进行前置放大。若要加大管理模塊放大倍数的输出，只需要增益R15和R16的值。

二、采集放大器

（一）OPA277放大器

将OPA277放大器作为U1，可以保证更宽的输入电压摆动。

（二）LF353放大器

LF353作为放大前置电信号的放大器，成本较低，速率较快。输入运算放大器有一个内部调整的输入偏置电压（双场效应管技术）。

（三）光电二极管

本实验用到的光电二极管，是一个半导体器件，是单向导电的。原理为当光线照射到端子上时，将光能转换为电能。光线越弱，反向电流越小，反之越大。

（四）噪声处理

根据图4所示，Ra，Ca为光电二极管。Ini，Cni相关特性，噪声谱密度为Cnor2=4KTRf，K=1.38J/K。

从图中可知： Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

Eno2=Enor2+Enoi2+Enoe2

噪声密度为：I2no=2qi;

噪声电流为：I2=2qI△f;

输出噪音为：E2noi=2qi△fRf2;

（五）降噪

如图5所示，随着频率变化，U2变成了衰减器。低频时，放大器减低了误差;中频时，衰减模式获得增;高频时，C1短路，Ucl=-R1/R2，高频衰减。

（六）根据以上分析，设计以下系统电路图（如图6所示）

三、电路系统的应用及检测

不同频率下IV转换变化情况：

1. 在1Hz频率时，如图7所示。

2. 在1KHz频率时，如图8所示。

3. 在10KHz频率时，如图9所示。

4. 在100KHz频率时，如图10所示。

四、结语

本设计使用常见集成运算放大器、成本低，器件容易获得。基于光电管完成光电转换，采用前置放大电路、差分放大电路和滤波电路完成电压信号的放大、滤波处理。实现一种mA级的光输入电流转换为0～5V电压的功能，误差不超过5%。经实验测量不同频率下，输出信号各项参数符合要求，在工程实践中可以作为一种性能良好的IV转换电路加以应用。

参考文献：

[1]江文学，曾学文，施建华.光电技术[M].北京：科学出版社，2009.

[2]占建明，汶德胜.基于光电二极管的前置放大电路噪声分析[J].集成电路设计与应用，2011（04）：304-306.

[3]王之江.光学设计理论基础[M].北京：科学出版社2002.

[4]徐建生，李雅琴.集成运算放大器的噪声模型和精确测量[D].吉林：长春工业大学，1998.

（作者单位：西安交通工程学院中兴通信学院）